电机控制器中psoc的探究与应用说明_电机控制器中PSoC的探究与应用

介绍

随着控制工业的发展，在许多场合需要使用体积小、功能强的控制器。比如电动自行车，为了不在外观上对车身造成明显影响(这其实也是行业标准的要求之一)，电机是后轮的一部分，电池(虽然体积不小)也尽量安装在不太引人注意的地方。这样的一般要求使得电机控制器在完成所需功能的前提下尽可能的小。这个要求归结到电路层面，就是要求选择尽可能少、尽可能小的元件来实现控制功能。幸运的是，大规模集成电路的发展使这成为可能。赛普拉斯微系统公司的PSoC系列是一种新型的功能强大的控制器优化集成电路，可以大大减少外围电路。

1 PSoC及其特点：PSoC是一种可编程片上系统。Cypress Microsystems，Inc .的PSoC Cy8c24xxx系列包含一个高速内核、Flash flash存储器和SRAM数据存储器，以及可由设计人员配置的模拟和数字模块。其主要特点如下：

强大的哈佛架构处理器：M8C处理器速度可达24MHz；88乘法，32位加法。

高级外围电路(psoc模块):6个模拟psoc模块提供高达14位ADC、高达8位DAC、可编程放大器、可编程滤波器和比较器；四个数字PSoC模块提供8-32位定时器、计数器和PWM，可以连接到所有GPIO引脚，并组合成复杂的外围电路。

灵活的片内存储器：4K字节的闪存程序存储，50，000次擦除；256字节SRAM数据存储；系统中的编程。

可编程引脚配置：所有GPIO 25mA驱动器；上拉、下拉、高阻、强力、开路驱动模式。

其他系统资源：看门狗和睡眠定时器等。

完善的开发工具：免费开发软件PSoC Designer；全功能在线模拟器和编程器。

PSoC将传统的单片机系统集成在一块芯片上，用户模拟和数字阵列的可配置性是其最大的特点，开发者可以按需配置。

2控制器需要实现的功能所设计的控制器用于控制电动自行车上的DC电机，具有以下功能：

(1)根据电动手柄或踏板传感器的输入，输出相应脉宽的PWM值来改变驱动电流，从而实现改变电机转速的功能；

(2)定时巡航功能：如果手柄或踏板的输出在一段时间内保持不变，则不会响应新的输入，保持固定的PWM脉宽输出，直到输出超过10%；

(3)安全考虑。限速：当限速开关闭合时，控制电机最高转速不超过一定值；制动：检测到制动信号时停止所有输出，取消制动信号后重启系统；

(4)车速输出指示：通过测量霍尔传感器的信号检测车速，发送车速指示刻度盘；

(5)产生一个50kHz的时钟信号，并发送给驱动电路。

另外，为了保证系统的健壮性，对于一些偶然的误操作或者外界条件的突然变化，应该有一定的容错功能。

(1)过流保护：过大的电流会损坏电路中的元件，从而影响系统的正常运行。因此，过流保护是一项重要措施；

(2)电池欠压保护：电池电压过低时继续工作会严重影响电池寿命。所以需要欠压保护来提示用户；

(3)温度保护：电路中温度过高会影响元器件的正常工作，因此要采取适当的措施。

3控制器设计与实现3.1 PSoC设置

根据设计要求，选择CY8C24423，先设置PSoC，如图1所示。系统选用了多种内部模块。如表1所示。内部模块设置好后，配置相应的管脚，包括I/O设置和中断模式设置。另外，设置全局资源。本系统主要参数为：CPU时钟24MHz，工作电压5V，睡眠定时512Hz(用于看门狗定时)。

图1控制器中的PSoC设置

3.2控制电路设计

如3.1所述，由于大部分功能可以用PSoC实现，所以硬件电路的设计相对简单。图2示出了系统中的电路框图。

图2控制器电路框图

控制电路将输入电流、电池电压、手柄电压和温度电压送入A/D采样；踏板电压中断，根据脉宽判断车速和踏板传感器受力，发出相应的PWM实现助力；制动中断作为独立的中断源，优先级最高。PWM输出对电机的上臂和下臂采用不同的处理。上臂信号直接输出，而下臂信号在霍尔感测信号之后和之后输出。

3.3控制软件设计

系统的核心部分是软件的设计。图3显示了系统操作的整体流程。

图3控制器软件流程

其中，SA、SB、SC分别为霍尔传感器输入的电机位置信号，根据它们确定发送给电机控制上臂(AT/BT/CT)和下臂(AB/BB/CB)的驱动信号。主程序根据优先级轮询可能异常的参数。如果一切正常，需要的操作就是获取手柄或踏板输入，转换成PWM输出驱动电机转动。手柄电压和电流保护的采样在PWM中断中实现，这将在下面解释。使用PSoC进行编程，有两种选择：——汇编或者C语言实现。甚至在汇编程序中，你可以定义需要的常量和变量，这无疑大大降低了程序的复杂度，这在现有的单片机中是很有特色的。

下面是关于汇编程序中电流保护的一段话。

定义了几个变量，大大增强了程序的可读性。

3.4系统设计中的关键技术

如上所述，本系统中最常用的是手柄/踏板采样，然后发送到PWM输出；最高优先级是电流保护。所以这两个功能都是在PWM中断程序(pwmint.asm)中实现的。

PWM相关设置

PWM的输出频率为15kHz/25kHz。主要考虑避开可闻声音的频率范围(20Hz~20kHz，人耳对15kHz不是很敏感)，同时及时应对可能出现的电流异常。

手柄/踏板信号采样和处理

为了操作方便，本设计省略了一般电动车上的脚踏开关。因此，对于同时进入的采样信号，要保证能够被检测到，并采取合理的处理方法发送PWM输出。

图4示出了系统中手柄采样/电流保护的集成处理流程。其中执行中断5次(时间间隔：5/15000=0.33ms)，手柄电压采样一次，与踏板采样比较，取最大值送PWM输出。图4手柄采样/电流保护集成处理过流保护的实现。

图4处理采样/电流保护集成处理

我们知道，瞬时电流冲击对电子元器件有很强的损耗甚至破坏作用。特别是对于DC电机，电流冲击会发生在启动或突然失速的瞬间。因此，在这种情况下，必须立即减小PWM输出脉冲宽度，以防止事故发生。在系统中，过流保护是重要的一点，但其难点在于快速响应过流。如果用PSoC中的A/D模块进行采样，即使是SAR6这种响应快的6位A/D模块(牺牲了一定的精度)，其转换时间也是20 s，测试后后续处理很难起到限流的作用。另一个问题是冲击毛刺的处理。由于电流(在系统中通过一个5m的电阻转换成电压信号)在上升沿容易产生毛刺，所以在处理之前需要一定的延迟。这样，以上模块就更难胜任了。经过仔细的分析和选择，最终选择了CMPPRG比较器模块。

模块的响应时间(在高功率模式下)仅为1.2 s，加上去除毛刺所需的10 s延迟，仍能满足限流要求。需要指出的是，系统设计中巧妙地利用了PWM输出过程来限制电流，使得限流更加可靠。图5示出了电流限制处理的时序。在第一个PWM周期中，未检测到过流，因此PWM输出脉冲宽度在第二个周期中保持不变。当在第二个周期检测到过电流时，PWM输出脉冲宽度从下一个周期开始立即减小，因此电流受到限制。

图5限流处理的时序图

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介绍了一种电动自行车控制器的设计。该设计基于功能强大的PSoC单片机，外围电路简单可靠。在程序设计中，利用PWM输出高电平时间检测电流过载，取得了良好的效果。目前该控制器已经量产，用户反应良好。